CN113967796B - 一种铝合金表面激光冲击压印微纳米颗粒制备超疏水性表面的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铝合金表面激光冲击压印微纳米颗粒制备超疏水性表面的方法，包括如下步骤：对铝合金表面预处理，使表面粗糙度≤0.05μm；将微纳米硬质颗粒和微米硬质颗粒混合后均匀的预涂在铝合金表面的吸收层背面；采用短脉冲激光冲击涂覆混合硬质颗粒的吸收层，使混合硬质颗粒压印在铝合金表面；使用超声清洗去除铝合金表面的混合硬质颗粒，通过化学修饰降低铝合金表面的表面能后，得到由微纳多级凹坑结构所构成的超疏水性功能表面。本发明制备方法简单有效，可大面积的快速制备具有微纳多级结构的超疏水表面。

Description

一种铝合金表面激光冲击压印微纳米颗粒制备超疏水性表面 的方法

技术领域

本发明涉及铝合金表面加工技术领域，特别涉及一种铝合金表面激光冲击压印微纳米颗粒制备超疏水性表面的方法。

背景技术

航空铝合金具有高的比强度和比刚度，同时具有良好的可加工性，在航空领域应用广泛，飞机的蒙皮、翼肋等结构件均可以由高强度的航空铝合金来制作，其扮演的角色越来越重要。然而，由于航空铝合金表面具有较高的润湿性，飞机在极端恶劣的天气条件下停放及飞行过程中，机身多处都会产生低温结冰，影响飞行安全。因此，提高飞机表面抗结冰性能已经成为航空领域急需解决的关键问题之一。

目前，已经发展了多种途径用于飞机表面除冰防冰。例如现有技术公开了一种飞机除冰车，该车通过在转向轮设置检测传感器可以将车载大臂前端作业舱内的工作人员准确的送到飞机机身结冰处进行人工除冰；但该方法中除冰车结构复杂，造价高昂，人工除冰效率低，工人工作强度大，除冰过程中使用的除冰、防冰液会对环境会产生污染。通过在飞机蒙皮下方设置供液装置、供气装置及电阻丝等可以实现液体除冰、机械除冰和热除冰等机身除冰方式，但这些方式均存在一些不足，如破坏气动外形，装置复杂，能耗大等缺陷。例如现有技术公开了一种基于弹性蒙皮的飞机除冰装置，采用螺钉将弹性蒙皮与执行机构固定在机翼上，电机通过凸轮带动执行机构发生位移，可使翼型前缘的弹性蒙皮发生周期性拉伸变形，使得除冰效果得到一定程度的提升。但是，该装置只能用于小型飞机，装置较为复杂，且弹性蒙皮需要定期更换，难以长时间应用于飞机机身高压振动的工作条件。

在航空铝合金表面制备超疏水织构是一种有效的疏水抗冰策略，当前具有多种制备超疏水表面的方法，如电化学沉积法、气相沉积法、化学刻蚀法等，但这些方法都有各自的缺点，制备的疏水织构机械稳定性差，不适合在高压振动的环境中应用。激光刻蚀法制备超疏水表面可以得到稳定性较高的超疏水织构，例如现有技术公开了一种获得阶梯状结构的超疏水表面的方法，该方法通过激光加工孔阵列排列和纳米粒子共沉积的方式，获得机械稳定性较高的超疏水表面，可适用于多种平面的基体。例如现有技术公开了一种多功能仿生超疏水表面的制备方法，该方法采用纳秒脉冲激光在金属表面进行烧蚀，制备出了微米-纳米分级结构，采用聚硅氮烷修饰后获得了超疏水表面，具有操作简单，成本低，节能环保的优势，也可以在不同基体上进行功能表面的制备。但是激光刻蚀制备疏水功能表面后，基体材料的力学性能受表面微沟槽应力集中的影响产生下降，使具有疏水功能表面的构件在高压振动的复杂服役环境下产生裂纹，影响其疲劳寿命，难以长时间应用于飞机机身所处的工作环境。

发明内容

为了解决航空铝合金超疏水表面机械稳定性差的技术问题，本发明提供了一种铝合金表面激光冲击压印微纳米颗粒制备超疏水性功能表面的方法，采用激光辐照吸收层表面产生等离子冲击波，冲击波压力使吸收层背面的微纳米硬质颗粒压印在材料表面，产生高应变率塑形形变，在材料表面形成具有微纳米凹坑的多级结构表面形貌，经化学修饰降低材料表面能后得到超疏水表面。该方法可以同时实现材料表面冲击强化和疏水织构的制备，且形成的疏水织构强度和稳定性较其他制备方式得到提高。本发明的制备方法简单有效，可大面积的快速制备具有微纳多级结构的超疏水表面。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种铝合金表面激光冲击压印微纳米颗粒制备超疏水性表面的方法，包括如下步骤：

对铝合金表面预处理，使表面粗糙度≤0.05μm；

将微纳米硬质颗粒和微米硬质颗粒混合后均匀的预涂在铝合金表面的吸收层背面；

采用短脉冲激光冲击涂覆混合硬质颗粒的吸收层，使混合硬质颗粒压印在铝合金表面；

使用超声清洗去除铝合金表面的混合硬质颗粒，通过化学修饰降低铝合金表面的表面能后，得到由微纳多级凹坑结构所构成的超疏水性功能表面。

进一步，所述微米硬质颗粒在混合硬质颗粒中的体积占比为10％～50％，所述微纳米硬质颗粒在混合硬质颗粒中的体积占比为50％～90％。

进一步，所述微纳米硬质颗粒的粒径为500nm～800nm；所述微米硬质颗粒的粒径为10μm～30μm。

进一步，所述短脉冲激光波长1064nm，脉冲宽度5ns～10ns，单次脉冲能量1J～10J，平顶分布，圆形光斑直径1～10mm。

进一步，所述短脉冲激光冲击采用多点搭接大面积冲击的方式，行间和列间光斑搭接率为10％～80％，光斑扫描路径采用“弓”形运动轨迹。

进一步，化学修饰降低铝合金表面的表面能具体为：

将超声清洗后的铝合金浸泡在含量为1％～5％二氯二甲基硅烷的无水乙醇溶液中，在90℃～150℃的保温箱中热处理，通过将反应生成的硅醇通过-OH基团键合到铝合金表面上，使得材料的表面能降低。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的铝合金表面激光冲击压印微纳米颗粒制备超疏水性表面的方法，采用高能短脉冲激光透过约束层辐照吸收层表面，产生高压等离子爆炸形成冲击波。由于冲击波的峰值压力高达GPa量级，远高于材料的动态屈服强度，使材料表面产生高应变率塑形变形，从而使粘附在吸收层表面的微纳米硬质颗粒压印在铝合金材料表面，形成具有微纳多级凹坑结构的表面形貌，实现了材料超疏水表面的制备。与此同时受激光冲击高应变率形变作用，微纳多级凹坑织构内部及材料近表层会产生高密度位错及位错缠结，组织晶粒也得到明显的细化，疏水织构的机械稳定性增强，航空铝合金疏水织构制备后的疲劳性能得到提高，可以实现材料表面冲击强化与疏水织构制备同时完成。

2.本发明所述的铝合金表面激光冲击压印微纳米颗粒制备超疏水性表面的方法，可以高效的实现激光冲击强化工艺与功能表面制备工艺，激光器的参数与路径可实现高精度控制，具有良好的加工质量，较高的加工柔性，自动化程度高。

3.本发明所述的铝合金表面激光冲击压印微纳米颗粒制备超疏水性表面的方法，实现了基体材料强化与功能表面制备的一体化，操作简单，工艺稳定性高，与传统铝合金疏水功能表面制备后的织构强度与基体材料力学性能相比提高明显，具有较高的可靠性和稳定性，促进了航空铝合金功能表面制备工艺在航天航空领域的应用。

附图说明

图1为本发明所述的铝合金表面激光冲击压印微纳米颗粒制备超疏水性表面的制备方法示意图。

图2为本发明所述的铝合金表面激光冲击压印微纳米颗粒制备超疏水性表面的织构强化示意图。

图3为本发明所述的铝合金表面激光冲击压印微纳米颗粒制备超疏水性表面的水滴静态接触角(WCA)图。

图4为本发明所述的铝合金表面激光冲击压印微纳米颗粒制备超疏水性表面的水滴动态滚动角(SA)图。

图5为本发明所述的铝合金表面激光冲击压印微纳米颗粒制备超疏水性表面的不同超声振动时间水滴静态接触角变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明所述的铝合金表面激光冲击压印微纳米颗粒制备超疏水性表面的方法，包括如下步骤：

使用不同的粒径的砂纸对铝合金表面进行打磨，将存在的表面氧化层及污染物去除，然后再使用抛光机对铝合金表面进行抛光，抛光处理后达到镜面效果，表面粗糙度≤0.05μm，最后使用丙酮或酒精清洗铝合金表面并干燥处理；

将微纳米硬质颗粒和微米硬质颗粒采用混粉机进行混粉，其中，所述微米硬质颗粒在混合硬质颗粒中的体积占比为10％～50％，所述微纳米硬质颗粒的粒径为500nm～800nm；所述微纳米硬质颗粒在混合硬质颗粒中的体积占比为50％～90％，所述微米硬质颗粒的粒径为10μm～30μm。混合硬质颗粒均匀的预涂在铝合金表面的吸收层背面，并采用吹风机将多余的混合硬质颗粒去除；微纳米硬质颗粒和微米硬质颗粒的材质为碳化钨、碳化硅和碳化钛。

使用短脉冲激光冲击涂覆混合硬质颗粒的吸收层，采用多点搭接大面积冲击的方式，行间和列间光斑搭接率为10％～80％，光斑扫描路径采用“弓”形运动轨迹，以K9玻璃或流水作为激光冲击时的约束层；短脉冲激光为平顶激光，波长1064nm，脉冲宽度5～10ns，单次脉冲能量1～10J，圆形光斑直径1～10mm。

使用超声清洗去除铝合金表面的混合硬质颗粒，通过化学修饰降低铝合金表面的表面能后，得到由微纳多级凹坑结构所构成的超疏水性功能表面。化学修饰降低材料表面能的方法具体为：将超声清洗后的铝合金浸泡在含量为1％～5％二氯二甲基硅烷的无水乙醇溶液中30min～60min，随后在90℃～150℃的保温箱中热处理40min～90min，将反应生成的具有较低表面能的硅醇通过-OH基团键合到铝合金表面上，所形成的AI-O-Si键对水解裂解具有非常高的稳定性，使得铝合金材料表面的疏水性能较稳定。

图2所示，本发明的基本原理是利用高能短脉冲激光辐照吸收层表面产生GPa量级等离子冲击波使铝合金材料在微纳米硬质颗粒的作用下表面产生高应变率塑形变，从而形成具有微纳多级凹坑织构的超疏水表面，与此同时，激光冲击使得材料近表层(≤600μm)及疏水织构内部产生大量的位错结构，晶粒得到有效细化，疏水织构的强度得到加强，所制备的超疏水表面具有较好的机械稳定性。

下面通过三个实施例来具体说明本发明的内容。

实施例一：

本发明所述的铝合金表面激光冲击压印微纳米颗粒制备超疏水性表面的方法，包括如下步骤：

(1)首先使用不同的粒径的砂纸对铝合金表面进行打磨，将可能存在的表面氧化层及污染物去除，然后在使用抛光机对铝合金表面进行抛光，抛光处理后达到镜面效果，表面粗糙度≤0.05μm，最后使用丙酮溶液清洗铝合金表面，并采用热风机对材料表面进行干燥处理；

(2)微纳米硬质颗粒和微米硬质颗粒选用碳化钨颗粒，为了满足超疏水表面多级织构的制备要求，在本实施例中微米硬质颗粒的粒径选用30μm，纳米硬质颗粒的粒径选用800nm，所述微纳米硬质颗粒在混合硬质颗粒中的体积占比为50％，所述微米硬质颗粒在混合硬质颗粒中的体积占比为50％，使用混粉机将两种粒径的硬质颗粒粉末均匀混和，随后涂覆在吸收层黑胶带背面，使用吹风机将多余粉末去除；

(3)使用短脉冲ND:YAG平顶激光冲击涂覆混合硬质颗粒的吸收层，激光冲击时，激光束波长1064nm，脉冲宽度5ns，单次脉冲能量5J，光斑直径3mm；采用行间和列间光斑搭接率均为50％的多点搭接大面积冲击的方式，扫描路径采用“弓”形运动轨迹；以K9玻璃作为激光冲击时的约束层；

(4)采用超声清洗去除铝合金材料表面的混合硬质颗粒，然后在含量为3％二氯二甲基硅烷的无水乙醇溶液中浸泡40min，随后在90℃的保温箱中热处理40min，将反应生成的具有较低表面能的硅醇通过-OH基团键合到铝合金表面上，降低微纳多级凹坑织构织构制备后铝合金材料的表面能，完成铝合金超疏水性功能表面的制备。

激光冲击硬质微纳米颗粒后铝合金表面发生了严重的塑形变形，形成了具有微纳多级织构的超疏水性功能表面。如图3和图4所示，经角接触测量仪测量，在上述超疏水功能表面制备工艺下铝合金表面的水接触角为163.3°，滚动角为4°。如图5所示，为超声处理不同时长所制备超疏水表面的接触角，表面接触角无明显变化，所制备的超疏水表面具有稳定的疏水效果。

实施例二：

本发明所述的铝合金表面激光冲击压印微纳米颗粒制备超疏水性表面的方法，包括如下步骤：

(1)铝合金表面使用不同粒径的砂纸进行打磨，然后在抛光机上对铝合金表面进行抛光，达到镜面效果，表面粗糙度≤0.05μm，最后使用酒精溶液清洗铝合金表面并干燥处理；

(2)为了对制备超疏水表面的多级织构尺寸进行调整，增加微米级凹坑结构之间的间距，微米硬质颗粒的粒径选用20μm，纳米硬质颗粒的粒径选用600nm，所述微纳米硬质颗粒在混合硬质颗粒中的体积占比为70％，所述微米硬质颗粒在混合硬质颗粒中的体积占比为30％，待混粉均匀后预涂在吸收层背面，并采用吹风机将多余的硬质颗粒去除；

(3)使用短脉冲平顶激光冲击涂覆混合硬质颗粒的黑胶带吸收层，短脉冲激光束的选用参数为：波长1064nm，脉冲宽度7ns，单次脉冲能量3J，光斑直径6mm；采用流水作为激光冲击时的约束层，冲击方式为多点搭接大面积冲击方式，行间和列间光斑搭接率为70％，光斑扫描路径采用“弓”形运动轨迹；

(4)使用超声清洗去除铝合金材料表面的混合硬质颗粒，然后在含量为5％二氯二甲基硅烷的无水乙醇溶液中浸泡30min，随后在120℃的保温箱中热处理50min，将反应生成的具有较低表面能的硅醇通过-OH基团键合到铝合金表面上，降低疏水织构制备后铝合金材料的表面能，得到具有微纳多级凹坑结构的超疏水性功能表面。

经过以上激光冲击碳化硅微纳米硬质颗粒形成超疏水功能表面的工艺，在铝合金表面制备了微纳多级超疏水织构，经过角接触测量仪检测，制备的铝合金超疏水功能表面的接触角为158.6°，滚动角为6°，较好的实现了铝合金表面的超疏水功能。

实施例三：

本发明所述的铝合金表面激光冲击压印微纳米颗粒制备超疏水性表面的方法，包括如下步骤：

(1)通过不同粒径的砂纸对铝合金表面进行打磨，将铝合金表面氧化层及污染物去除，然后使用抛光机对铝合金表面进行抛光，使表面粗糙度≤0.05μm，最后使用酒精溶液清洗铝合金表面并干燥处理；

(2)微纳米硬质颗粒和微米硬质颗粒选用碳化钛颗粒，微米硬质颗粒的粒径选用10μm，纳米硬质颗粒的粒径选用500nm，所述微纳米硬质颗粒在混合硬质颗粒中的体积占比为90％，所述微米硬质颗粒在混合硬质颗粒中的体积占比为10％，以对所制备的超疏水表面多级凹坑结构的形貌和尺寸进行调整；混粉均匀后预涂在铝箔吸收层背面，并采用吹风机将多余的硬质颗粒去除；

(3)选用波长1064nm，脉冲宽度10ns，单次脉冲能量9J，光斑直径9mm的短脉冲平顶激光冲击带有碳化钛微纳米硬质颗粒的铝箔吸收层；K9玻璃作为激光冲击时的约束层，行间和列间光斑搭接率为30％，冲击方式为多点搭接大面积冲击，光斑扫描路径采用“回”形运动轨迹；

(4)使用超声清洗去除铝合金材料表面的混合硬质颗粒，然后在含量为3％二氯二甲基硅烷的无水乙醇溶液中浸泡60min，随后在130℃的保温箱中热处理70min，将反应生成的具有较低表面能的硅醇通过-OH基团与铝合金材料形成AI-O-Si键稳定的键合到铝合金表面上，使得具有微纳多级凹坑结构的铝合金材料表面具有较低且稳定的表面能，较好的实现了铝合金超疏水表面的制备。

通过上述激光冲击带有碳化钛微纳米硬质颗粒的铝箔吸收层制备超疏水表面的工艺方法，可以快速的在铝合金表面制备出微纳多级超疏水织构，织构强度大，超疏水表面机械稳定性高，疏水角和滚动角分别可达到161.9°和5°，具有良好的表面超疏水性能。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种铝合金表面激光冲击压印微纳米颗粒制备超疏水性表面的方法，其特征在于，包括如下步骤：

对铝合金表面预处理，使表面粗糙度≤0.05μm；

将微纳米硬质颗粒和微米硬质颗粒混合后均匀的预涂在铝合金表面的吸收层背面；所述微米硬质颗粒在混合硬质颗粒中的体积占比为10％～50％，所述微纳米硬质颗粒在混合硬质颗粒中的体积占比为50％～90％；所述微纳米硬质颗粒的粒径为500nm～800nm；所述微米硬质颗粒的粒径为10μm～30μm；

采用短脉冲激光冲击涂覆混合硬质颗粒的吸收层，使混合硬质颗粒压印在铝合金表面；

使用超声清洗去除铝合金表面的混合硬质颗粒，通过化学修饰降低铝合金表面的表面能后，得到由微纳多级凹坑结构所构成的超疏水性功能表面。

2.根据权利要求1所述的铝合金表面激光冲击压印微纳米颗粒制备超疏水性表面的方法，其特征在于，所述短脉冲激光波长1064nm，脉冲宽度5ns～10ns，单次脉冲能量1J～10J，平顶分布，圆形光斑直径1～10mm。

3.根据权利要求1所述的铝合金表面激光冲击压印微纳米颗粒制备超疏水性表面的方法，其特征在于，所述短脉冲激光冲击采用多点搭接大面积冲击的方式，行间和列间光斑搭接率为10％～80％，光斑扫描路径采用“弓”形运动轨迹。

4.根据权利要求1所述的铝合金表面激光冲击压印微纳米颗粒制备超疏水性表面的方法，其特征在于，化学修饰降低铝合金表面的表面能具体为：

将超声清洗后的铝合金浸泡在含量为1％～5％二氯二甲基硅烷的无水乙醇溶液中，在90℃～150℃的保温箱中热处理，通过将反应生成的硅醇通过-OH基团键合到铝合金表面上，使得材料的表面能降低。